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EP2675763A1 - Durchführung - Google Patents

Durchführung

Info

Publication number
EP2675763A1
EP2675763A1 EP12704707.4A EP12704707A EP2675763A1 EP 2675763 A1 EP2675763 A1 EP 2675763A1 EP 12704707 A EP12704707 A EP 12704707A EP 2675763 A1 EP2675763 A1 EP 2675763A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mol
battery
alloy
aluminum
magnesium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP12704707.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2675763B1 (de
Inventor
Frank KROLL
Helmut Hartl
Andreas Roters
Hauke Esemann
Dieter Goedeke
Ulf Dahlmann
Sabine Pichler-Wilhelm
Martin LANDENDINGER
Linda Johanna BACKNAES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102011012430A external-priority patent/DE102011012430A1/de
Priority claimed from DE102011103976A external-priority patent/DE102011103976A1/de
Priority claimed from DE102011103975A external-priority patent/DE102011103975A1/de
Priority claimed from DE102011106873A external-priority patent/DE102011106873A1/de
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP2675763A1 publication Critical patent/EP2675763A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2675763B1 publication Critical patent/EP2675763B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046—Welding
    • B23K15/0093—Welding characterised by the properties of the materials to be welded
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K1/19—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering taking account of the properties of the materials to be soldered
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    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03C17/02—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with glass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03C4/20—Compositions for glass with special properties for chemical resistant glass
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    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2204/00—Glasses, glazes or enamels with special properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2207/00—Compositions specially applicable for the manufacture of vitreous enamels
    • C03C2207/08—Compositions specially applicable for the manufacture of vitreous enamels for light metals
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    • Y10T29/49115—Electric battery cell making including coating or impregnating

Definitions

  • the invention relates to a bushing, in particular a battery feedthrough, in particular for a lithium-ion battery, preferably a lithium-ion accumulator, a storage device, in particular a battery, preferably a lithium-ion battery and the use of a glass composition for carrying out a metallic Ladder in the housing of a battery, in particular a lithium-ion battery.
  • US 6,037,539 shows an RF implementation in which a
  • HF feedthrough known from US Pat. No. 6,037,539 is essentially optimized for the purpose of use. Preferably, frequencies of between 8 and 1000 MHz are transmitted with such feedthroughs. Also the
  • both a disposable battery which is disposed of after discharge and / or recycled, as well as an accumulator understood.
  • a material preferred for lithium-ion batteries are also Alloy, especially aluminum, an aluminum alloy or AlSiC discussed.
  • Lithium-ion batteries are intended for various applications, such as portable electronic devices, mobile phones, power tools and especially electric vehicles.
  • the batteries can replace traditional energy sources such as lead acid batteries, nickel cadmium batteries or nickel metal hydride batteries.
  • Lithium-ion batteries have been known for many years. In this regard, for example, "Handbook of Batteries, David Linden, Ed., 2.
  • Battery short circuit or temperature changes resulting in reduced battery life Another problem with battery feed-throughs is the instability against the aggressive battery electrolytes, in particular with respect to non-aqueous electrolytes, as used, for example, in lithium-ion accumulators.
  • DE 101 05 877 A1 proposes a housing for a lithium-ion battery, the housing comprising a metal jacket which is open on both sides and is closed. The power connection is isolated by a plastic.
  • a disadvantage of the plastic insulation is the limited temperature resistance, unsafe tightness over life and low chemical
  • the object of the invention is therefore an implementation, in particular a
  • a bushing in particular a battery feedthrough, in particular for a lithium-ion battery, preferably for a lithium-ion rechargeable battery is indicated with a
  • Base body wherein the base body has at least one opening through which a conductor, in particular a substantially pin-shaped conductor in one
  • melting material in particular a light metal, preferably aluminum or AlSiC, aluminum alloys, magnesium or magnesium alloys.
  • a light metal preferably aluminum or AlSiC
  • aluminum alloys preferably magnesium or magnesium alloys.
  • base bodies of titanium and / or titanium alloys such as ⁇ 6246 and / or Ti6242. Titan is one
  • biocompatible material making it suitable for medical applications
  • prosthetics is used.
  • it is often used in special applications because of the special strength, durability and low weight, for example in racing but also for aerospace applications.
  • Other materials for the body and / or the battery case are
  • Metals in particular steel, stainless steel, stainless steel or tool steel intended for subsequent heat treatment.
  • Suitable as Stainless steels are for example X12CrMoS17, X5CrNi1810, XCrNiS189,
  • the glass material through which the conductor is passed comprises at least the following components in mol%:
  • Bi 2 O 3 0-10 mol%, especially 1-5 mol%, most preferably 2-5 mol%
  • composition comprising the following components:
  • the glass compositions given are stable phosphate glasses which have a significantly lower total alkali content than alkali phosphate glasses known from the prior art.
  • Glass composition having a Li content of up to 45 mol%, in particular up to 35 mol%, are crystallization-stable, i. in a downstream
  • Sintering step no disruptive crystallization show.
  • Particularly preferred here is a glass composition with up to 35 mol% L12O, which shows no significant crystallization.
  • the usually high crystallization stability of the phosphate glasses ensures that the melting of the glasses is not hindered even at temperatures ⁇ 600 ° C in the rule. This makes it possible to use most of the glass compositions given as glass solder or glass for
  • the glass compositions shown are characterized in that the glass materials ⁇ have very high thermal expansion in the range 20 ° C to 300 ° C, in the range of> 14 0 "6 / ⁇ , in particular> 15 0" 6 K, preferably in the range 15 ⁇ 10 "6 / ⁇ to 25 0 " 6 / ⁇ lie and thus in the range of
  • Glass compositions range from 350 ° C to 650 ° C
  • Melting temperature can be measured, for example, via the hemisphere temperature as described in R. Görke, K.-J. Leers: Keram. Z. 48 (1996) 300-305, or according to DIN 51730, ISO 540 or CEN / TS 15404 and 15370-1 described, the disclosure of which is incorporated in full in the present application, are determined.
  • the measurement of the hemisphere temperature is described in detail in DE 10 2009 01 1 182 A1, the disclosure of which is incorporated in full in the present application. According to DE 10 2009 011 182 A1, the hemisphere temperature in a microscopic method with a
  • Joining joint can be permanently exposed, not higher than that
  • Melting temperature may be. Glass compositions as used in the present case are generally often produced from a glass powder which is melted and, under the action of heat, forms the joint with the components to be joined.
  • the melting temperature or melting temperature generally corresponds approximately to the height of the so-called hemisphere temperature of the glass. Glasses with low melting temperatures or melting temperatures are also referred to as glass solders. Instead of melting or melting temperature is in such a case of
  • soldering temperature or soldering temperature spoken.
  • the soldering temperature may differ by ⁇ 20 K from the hemisphere temperature.
  • the introduction of the conductor into the opening can then be carried out as follows:
  • the glass material is introduced together with the pin-shaped conductor into the opening in the base body. Then, the glass is heated together with the conductor, in particular the pin-shaped conductor to the melting temperature or hemispherical temperature of the glass, so that the glass material softens and in the opening surrounds the conductor, in particular the pin-shaped conductor and rests on the base body. Since the melting temperature of both the material of the base body and the conductor, in particular the pin-shaped conductor is above the melting temperature of the glass material, the base body as well as the pin-shaped conductor is in the solid state. Preferably lies the
  • Lotto temperature of the glass material in the range 350 ° C to 640 ° C preferably in the range 350 ° C to 600 ° C particularly preferably in the range 350 ° C to ⁇ 550 ° C, in particular in the range 450 ° C to ⁇ 550 ° C.
  • a light metal such as aluminum or an aluminum alloy could be used as material for the
  • Body also be used a SiC matrix, which is infiltrated with AI.
  • a SiC matrix which is infiltrated with AI.
  • Such a material is also referred to as AlSiC.
  • AlSiC has a SiC core into which AI has diffused.
  • the properties, in particular the expansion coefficient, can be adjusted.
  • AlSiC has a lower thermal expansion than pure aluminum.
  • Battery housing can find, for example, magnesium or
  • For the main body are also titanium or magnesium
  • the material of the conductor, in particular the pin-shaped conductor may be identical to the material of the base body, so for example aluminum, AlSiC, an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy. This has the advantage that the coefficient of expansion of the base body and metal pin is identical. The expansion coefficient ⁇ of the glass or glass-ceramic material then only has to be adapted to a material.
  • the outer conductor may comprise the materials stainless steel or steel. CiGrundkör is to provide a compression glass seal is available for such a case acias different from it or a Me taiiung selected.
  • the pin-shaped conductor may be Cu, a copper alloy, CuSiC or a NiFe alloy, silver, a silver alloy, gold, a gold alloy, a copper core, d. H. a NiFe jacket with a copper inner part and a cobalt-iron alloy as a material.
  • the battery feedthrough according to the invention is characterized not only by the fact that a glazing, in particular a Druckeinglasung, is possible in a low-melting body, but also by the fact that a sufficient resistance to the battery electrolyte is given.
  • Non-aqueous battery electrolytes typically consist of a carbonate, in particular a carbonate mixture, such as a mixture of ethylene carbonate or dimethyl carbonate, wherein the aggressive non-aqueous battery electrolyte having a conductive salt, for example, the conductive salt LiPF 6 , z. B. in the form of a 1 molar solution.
  • a conductive salt for example, the conductive salt LiPF 6 , z. B. in the form of a 1 molar solution.
  • the glass compositions for battery feedthrough preferably have Li incorporated into the glass structure. Since Li is also contained in the electrolyte used for Li-ion storage devices, this measure will not affect battery performance. Particular preference is given to low-sodium or sodium-free
  • the resistance of the composition of the invention to the battery electrolyte can be tested by the
  • d50 means that 50% of all particles or grains of the glass powder is less than or equal to a diameter of 10 pm.
  • a non-aqueous electrolyte for example, a carbonate mixture
  • Aluminum or an aluminum alloy is to be seen in that a fusion of the glass with the surrounding light metal or the metal of the conductor, in particular in the form of a metal pin, even under a gas atmosphere, which is not a protective gas atmosphere is possible. Also a gas atmosphere, which is not a protective gas atmosphere is possible. Also a gas atmosphere, which is not a protective gas atmosphere is possible. Also a gas atmosphere, which is not a protective gas atmosphere is possible. Also a gas atmosphere, which is not a protective gas atmosphere is possible. Also a
  • Vacuum is not necessary for AI mergers contrary to the previous method. Rather, such a fusion can also take place under air
  • For both types of mergers can be used as inert gas N 2 or Ar.
  • As a pre-treatment for fusing the metal is cleaned and or etched, selectively oxidized or coated if necessary. During the process, temperatures between 300 and 600 ° C with heating rates of 0.1 to 30 K / min and with holding times of 1 to 60 min used.
  • the specified glass compositions surprisingly show at the same time a high chemical stability compared to the preferably non-aqueous electrolyte and a high thermal
  • the specified glass composition according to the invention can be used for the following purposes.
  • Strain adjustment i. to adjust the expansion coefficient, still be provided with fillers.
  • the abovementioned glasses can be provided with dopants which have an emission maximum in the range of infrared radiation, in particular IR radiation of an IR source.
  • IR radiation in particular IR radiation of an IR source.
  • Exemplary materials for this are Fe, Cr, Mn, Co, V, pigments. Due to the infrared radiation, the thus prepared glass material can be locally heated specifically.
  • a battery feedthrough is provided, which is distinguished from the bushings in the prior art, in particular those with plastic as a sealing material by a high temperature resistance, in particular thermal shock resistance. Furthermore, a hermetic seal is provided even with temperature change or when changing the temperature, which prevents liquid In particular, battery liquid can escape and / or moisture penetrates into the housing. Under hermetic tightness is understood that at a pressure difference of 1 bar, the helium leak rate ⁇ 1 -10 "8 mbar ls ' is preferably ⁇ 1 x 10 " 9 mbar ls "1 .
  • the battery feedthrough has sufficient chemical resistance, in particular to nonaqueous battery electrolytes.
  • a pre-treatment measure that can be performed on the battery is pickling.
  • the invention according to a second aspect also provides an electrical storage device, in particular a battery, preferably a battery cell having a feedthrough according to the invention.
  • the housing is preferably made of the same material as the base body, in particular a light metal.
  • the main body is preferably part of the battery case in battery cells.
  • the battery is a lithium-ion battery.
  • Materials for the housing or the base body are preferably also metals, such as steel, stainless steel, stainless steel, preferably light metals, in particular titanium, titanium alloys, aluminum, aluminum alloys,
  • light metals are understood to mean metals which have a specific gravity of less than 5.0 kg / dm 3 .
  • the specific gravity of the light metals is in the range 1, 0 kg / dm 3 to 3.0 kg / dm. 3
  • the light metals also used as materials for the conductor, for example the pin-shaped conductor or the electrode connecting member, so the light metals further distinguished even by an electrical conductivity in the range 5 ⁇ 10 6 Sm "to 50 ⁇ 10 6 Sm '1 of. When used in Druckglas die entryen is also still the
  • light metals have melting temperatures in the range of 350 ° C to 800 ° C.
  • the battery preferably has a nonaqueous electrolyte, in particular based on carbonate, preferably a carbonate mixture.
  • the carbonate mixture may comprise an ethylene carbonate in admixture with dimethyl carbonate with a conductive salt, for example LiPF6.
  • the invention provides a glass material comprising the following components in mol%:
  • Bi 2 0 3 0- 0 mol% in particular 1-5 mol%, more preferably 2-5 mol% for performing a metallic conductor in the housing of a
  • a glass material comprising the following
  • the metallic conductor of the storage device is a light metal, in particular aluminum, a
  • Aluminum alloy, copper or a copper alloy may include.
  • the main body and the housing may also be formed of light metal, for example aluminum or an aluminum alloy. The invention will be described below with reference to the figure and the embodiments without limitation thereto.
  • Fig. 1 an implementation of the invention
  • the bushing 1 comprises as a conductor, in particular as a pin-shaped conductor, a metal pin 3, which is preferably made of a material, for example aluminum
  • the metal pin 3 is passed through an opening 7 which passes through the metal part 5. Although only passing a single metal pin through the aperture is shown, multiple metal pins could be passed through the aperture without departing from the invention.
  • the outer contour of the opening 7 may preferably be round or oval.
  • the opening 7 passes through the entire thickness D of the main body or metal part 5.
  • the metal pin 1 is glazed into a glass material 10 and is passed through the opening 7 through the base body 5 in the glass material 10. In the main body 5, the opening 7 by, for example, a separation process, preferably punching introduced.
  • the metal pin 3 is melted in a glass plug of the glass material according to the invention.
  • a major advantage of this method of preparation is that even under increased loads on the glass plug, z. B. at a pressure load, a squeezing out of the glass plug with metal pin from the opening 7 is avoided.
  • the fusion temperature of the glass material according to the invention with the base body is 20 K to 100 K below the
  • Comparison glasses (VB1 - VB9) are compared.
  • the water resistance tests were carried out so that low-melting was made of the glasses (2x2 cm, height: -0.5 cm), which were stored in 200 ml of water at 25 ° C and 70 ° C for 70 hours. Thereafter, the loss of material was determined in% by weight. And stated in the table.
  • Embodiment 1 (AB1) in Table 1 is particularly for
  • Embodiment 6 in Table 1 is particularly suitable for Cu / Al glazings, ie glazing a copper pin as a conductor in a surrounding aluminum base body. Although some of the embodiments tend to have a low coefficient of expansion for Cu addition, it is clear that high levels of Li can be dissolved in the melt without the glass becoming unstable with such a glass composition.
  • the embodiments 7 and 8 (AB7 and AB8) are characterized in that they Bi 2 O 3 z. B. instead of PbO, as in embodiment 6 (AB6) included.
  • the water resistance can be significantly increased by B12O3.
  • the introduction of 1 mol% of B12O3 allowed 10 times more water resistance in the
  • Embodiment 8 (AB8) over Embodiment 1 (AB1) can be achieved with substantially the same alkali content. For the expert, this is surprising.
  • Bi 2 O 3 can be used in particular instead of PbO according to Embodiment 6 (AB6). Since lead is harmful to the environment, that is
  • Glass compositions are particularly preferred, which are free of PbO except for impurities, i. where PbO can be set to 0 mol%.
  • Free of impurities in this application means that less than 100 ppm, preferably less than 10 ppm, in particular less than 1 ppm of the respective substance, for example lead, are contained in the glass.
  • Table 2 below shows conventional glass compositions (VB1-VB9) compared to those mentioned above
  • Transformation temperature Tg as defined, for example, in "Schott Guide to Glass, second edition, 1996, Chapman & Hall, pages 18-21, the
  • nb denotes unknown properties.
  • the comparative examples VB1, VB2 and VB6 given in Table 2 show too high transformation temperatures Tg and too low a thermal one
  • Exemplary embodiments AB1 - AB8 .. Comparative Example VB3 has a sufficiently low Tg, a better - but not sufficient
  • Comparative Example VB4 has a favorable Tg, but the durability and the coefficient of expansion ⁇ are not sufficient. Comparative Example VB5 has excellent durability, the Tg is satisfactory, but the expansion coefficient ⁇ is insufficient.
  • composition according to claim 1 The invention
  • Glass compositions thus provide fused glasses or fused glasses or solder glasses for battery feedthroughs
  • the present invention is the first time a bushing for a housing, in particular a battery cell housing, preferably for a lithium-ion battery specified, which is suitable for housing parts of
  • Battery cell housings consisting of a light metal, in particular
  • materials for the battery cell housing steel or stainless steel, in particular stainless steel, are also possible. In such a case, the materials of the pencil-shaped Ladder with headboard and possibly the base body accordingly
  • a battery housing can be made available, which is hermetically sealed even with a deformation of the battery housing in contrast to plastic bushings, which tend to crack. This is in batteries with battery cases, the one

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Durchführung, insbesondere Batteriedurchführung, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugt einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit wenigstens einem Grundkörper, der wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die wenigstens ein Leiter, insbesondere ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter in einem Glasmaterial hindurchgeführt wird, wobei der Grundkörper, bevorzugt ein niedrig schmelzendes Material, insbesondere ein Leichtmetall, bevorzugt Aluminium, Magnesium, AlSiC, eine Aluminiumlegierung oder eine Magnesiumlegierung, Titan, eine Titanlegierung oder Stahl, insbesondere Edelstahl, nicht rostender Stahl oder Werkzeugstahl, umfasst und das Glasmaterial die nachfolgenden Komponenten in mol-% umfasst: P2O5 35-50 mol-%, insbesondere 39-48 mol-%, AI2O3 0-14 mol-%, insbesondere 2-12 mol-%, B2O3 2-10 mol-%, insbesondere 4-8 mol-%, Na2O 0-30 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%, M2O 0-20 mol-%, insbesondere 12-20 mol-%, wobei M=K, Cs, Rb sein kann, PbO 0-10 mol-%, insbesondere 0-9 mol-%, Li2O 0-45 mol-%, insbesondere 0-40 mol-%, ganz bevorzugt 17-40 mol-%, BaO 0-20 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%, ganz bevorzugt 5-20 mol-%, Bi2O3 0-10 mol-%, insbesondere 1-5 mol-%, ganz bevorzugt 2-5 mol-%.

Description

Durchführung
Die Erfindung betrifft eine Durchführung, insbesondere eine Batteriedurchführung, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugt einen Lithium-Ionen- Akkumulator, eine Speichereinrichtung, insbesondere eine Batterie, bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie sowie die Verwendung einer Glaszusammensetzung zur Durchführung eines metallischen Leiters in das Gehäuse einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie.
Das Einbringen von Leitern, insbesondere in Form von Metallstiften in einen Grundkörper, der aus Leichtmetall wie Aluminium bestand, waren bislang bei Batteriedurchführungen nicht möglich. Durchführungen mit thermisch sich sehr stark ausdehnenden Materialien wie
Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen sind lediglich im Bereich der Hochfrequenzdurchführungen (HF-Durchführung) bekannt geworden. Derartige HF-Durchführungen und Glasmaterialien auf der Basis von Aluminium- Phosphat-Gläsern sind beispielsweise aus der US 5,262,364, der US 5,965,469 sowie der US 6,037,539 bekannt geworden.
Insbesondere die US 6,037,539 zeigt eine HF-Durchführung, bei der ein
eisenhaltiger bzw. ein nicht eisenhaltiger Leiter in einer Aluminium-Phosphatglas- Zusammensetzung durch ein Gehäuseteil, umfassend Aluminium, hindurchgeführt wird. Die aus der US 6,037,539 bekannte HF-Durchführung ist im Wesentlichen auf den Einsatzzweck optimiert. Bevorzugt werden mit derartigen Durchführungen Frequenzen zwischen 8 und 1000 MHz übertragen. Auch die
Hochspannungsanwendung ist in der US 6,037,539 beschrieben. Nicht jedoch sind in der US 6,037,539 Batteriedurchführungen beschrieben.
Als Batterie im Sinne der Erfindung wird sowohl eine Einwegbatterie, die nach ihrer Entladung entsorgt und/oder recycled wird, als auch ein Akkumulator verstanden. Als Material, bevorzugt für Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden auch Leichtmetall, insbesondere Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder AlSiC, diskutiert. Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind für verschiedene Anwendungen vorgesehen, wie beispielsweise tragbare elektronische Geräte, Mobiltelefone, Motorwerkzeuge sowie insbesondere Elektrofahrzeuge. Die Batterien können traditionelle Energiequellen wie beispielsweise Blei-Säure-Batterien, Nickel- Cadmium-Batterien oder Nickel-Metallhydrid-Batterien ersetzen.
Lithium-Ionen-Batterien sind seit vielen Jahren bekannt. Diesbezüglich wird beispielsweise auf„Handbook of Batteries, David Linden, Herausgeber, 2.
Auflage, McGrawhill, 1995, Kapitel 36 und 39" verwiesen.
Verschiedene Aspekte von Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind in einer Vielzahl von Patenten beschrieben. Beispielsweise seien genannt US 961 ,672, US 5,952,126, US 5,900,183, US 5,874,185, US 5,849,434, US 5,853,914 sowie US 5,773,959.
Insbesondere für die Anwendung von Batterien, bevorzugt Lithium-Ionen- Akkumulatoren in der Automobil-Umgebung müssen eine Vielzahl von Problemen wie Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit bei Unfall oder Schwingungsfestigkeit gelöst werden. Ein weiteres Problem ist die hermetische Dichtheit der Batterie, insbesondere der Lithium-Ionen-Batterie über einen langen Zeitraum. Die Dichtheit beeinträchtigen können z. B. Undichtigkeit im Bereich der Elektroden der Batterie beziehungsweise der Elektrodendurchführung der Batterie, ein
Batteriekurzschluss oder Temperaturänderungen, die zu einer verminderten Batterielebensdauer führen. Ein weiteres Problem von Batteriedurchführungen ist die Instabilität gegenüber den aggressiven Batterieelektrolyten, insbesondere gegenüber nicht wässrigen Elektrolyten, wie sie beispielsweise in Lithium-Ionen- Akkumulatoren Verwendung finden.
Um eine bessere Beständigkeit bei Unfall sicherzustellen, schlägt die
DE 101 05 877 A1 beispielsweise ein Gehäuse für eine Lithium-Ionen-Batterie vor, wobei das Gehäuse einen Metallmantel umfasst, der auf beiden Seiten offen ist und verschlossen wird. Der Stromanschluss ist durch einen Kunststoff isoliert. Nachteilig an den Kunststoffisolierungen ist die limitierte Temperaturbeständigkeit, die unsichere Dichtheit über der Lebensdauer und die geringe chemische
Beständigkeit gegenüber den Batterieelektrolyten.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Durchführung, insbesondere eine
Batteriedurchführung, anzugeben, die die Probleme des Standes der Technik vermeidet.
Erfindungsgemäß wird dies durch eine Durchführung, insbesondere eine
Batteriedurchführung gemäß Anspruch 1 , eine Speichereinrichtung gemäß
Anspruch 8 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Durchführung, insbesondere eine Batteriedurchführung, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugt für einen Lithium-Ionen-Akkumulator angegeben mit einem
Grundkörper, wobei der Grundkörper wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die ein Leiter, insbesondere ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter in einem
Glasmaterial hindurchgeführt wird, wobei der Grundkörper ein niedrig
schmelzendes Material, insbesondere ein Leichtmetall, bevorzugt Aluminium oder AlSiC, Aluminiumlegierungen, Magnesium oder Magnesiumlegierungen umfasst. Ebenso möglich und von der Erfindung umfasst sind Grundkörper aus Titan- und/oder Titanlegierungen wie ΤΪ6246 und/oder Ti6242. Titan ist ein
körperverträgliches Material, so dass es für medizinische Anwendungen
beispielsweise in der Prothetik zum Einsatz kommt. Ebenso wird es wegen der besonderen Festigkeit, Beständigkeit und geringem Gewicht in besonderen Anwendungen gerne verwendet, beispielsweise im Rennsport aber auch für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Weitere Materialien für den Grundkörper und/oder das Batteriegehäuse sind
Metalle, insbesondere Stahl, nicht rostender Stahl, Edelstahl oder Werkzeugstahl, der für eine spätere Wärmebehandlung vorgesehen ist. Verwendbar als Edelstahle sind beispielsweise X12CrMoS17, X5CrNi1810, XCrNiS189,
X2CrNi1911 , X12CrNi177, X5CrNiMo17-12-2, X6CrNiMoTi17-12-2, X6CrNiTi1810 und X15CrNiSi25-20, X10CrNi1808, X2CrNiMo17-12-2, X6CrNiMoTi17-12-2. Um eine besonders gute Verschweißbarkeit sowohl beim Laserschweißen wie auch beim Widerstandsschweißen zur Verfügung stellen zu können, als Material für den Grundkörper und/oder das Gehäuseteil, insbesondere das Batteriezellengehäuse, ganz besonders Edelstähle, insbesondere Cr-Ni-Stähle mit den Werkstoff- Nummern (WNr.) gemäß Euro-Norm (EN) 1.4301 , 1.4302, 1.4303, 1.4304, 1.4305, 1.4306, 1.4307 verwandt. Als Normalstahl kann St35, St37 oder St38 verwandt werden.
Erfindungsgemäß umfasst das Glasmaterial, durch das der Leiter hindurchgeführt wird, wenigstens die nachfolgenden Komponenten in mol-%:
P205 35-50 mol-%, insbesondere 39-48 mol-%
Al203 0-14 mol-%, insbesondere 2-12 mol-%
B203 2-10 mol-%, insbesondere 4-8 mol-%
Na20 0-30 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%
M20 0-20 mol-%, insbesondere 12-20 mol-%, wobei M=K, Cs, Rb
sein kann
PbO 0-10 mol-%., insbesondere 0-9 mol-%
Li2O 0-45 mol-%, insbesondere 0-40 mol-%, ganz bevorzugt 17-40 mol-%
BaO 0-20 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%, ganz bevorzugt 5-20 mol-%
Bi2O3 0-10 mol-%, insbesondere 1-5 mol-%, ganz bevorzugt 2-5 mol-%
Besonders bevorzugt ist eine Zusammensetzung, die nachfolgende Komponenten umfasst:
P205 38-50 mol-%, insbesondere 39-48 mol-%
AI2O3 3-14 mol-%, insbesondere 4-12 mol-%
B203 4-10 mol-%, insbesondere 5-8 mol-%
Na20 10-30 mol-%, insbesondere 14-20 mol-%
K2O 10-20 mol-%, insbesondere 12-19 mol-%,
PbO 0-10 mol-%., insbesondere 0-9 mol-% Bei den angegebenen Glaszusammensetzungen handelt es sich um stabile Phosphatgläser, die einen deutlich niedrigeren Gesamtalkaligehalt als aus dem Stand der Technik bekannte Alkali-Phosphatgläser aufweisen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße
Glaszusammensetzung mit einem Li-Anteil von bis zu 45 mol-%, insbesondere bis zu 35 mol-%, kristallisationsstabil sind, d.h. in einem nachgeschalteten
Sinterschritt keine störende Kristallisation zeigen . Besonders bevorzugt ist hierbei eine Glaszusammensetzung mit bis zu 35 mol-% L12O, die keine wesentliche Kristallisation zeigt.
Durch die in der Regel hohe Kristallisationsstabilität der Phosphatgläser wird sichergestellt, dass das Aufschmelzen der Gläser auch bei Temperaturen < 600° C in der Regel nicht behindert wird. Dies ermöglicht es, die meisten angegebenen Glaszusammensetzungen als Glaslot beziehungsweise Schmelzglas zur
Verbindung mit temperaturempfindlichen Materialen und/oder Bauteilen
verwenden zu können, da das Aufschmelzen der Glaszusammensetzungen auch bei Temperaturen < 600° C in der Regel nicht behindert wird.
Die angegebenen Glaszusammensetzungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Glasmaterialien sehr hohe thermische Dehnungen α im Bereich 20° C bis 300°C aufweisen, die im Bereich von > 14 0"6/Κ, insbesondere > 15 0"6 K, bevorzugt im Bereich 15 ·10"6/Κ bis 25 0"6/Κ liegen und damit in dem Bereich der
thermischen Ausdehnung von Leichtmetallen wie Aluminium, aber auch von gängigen Metallen für die Leiter, die durch das Glasmaterial hindurchgeführt werden, nämlich Kupfer. So besitzt Aluminium bei Zimmertemperatur eine thermische Ausdehnung α von 23 x 10"6/K und Kupfer von 16,5 x 10"6/K. Um zu verhindern, dass beim Einglasen das Leichtmetall des Grundkörpers und eventuell auch des Metallstiftes schmilzt oder deformiert, liegt die
Verschmelztemperatur des Glasmaterials mit dem Material des Grundkörpers und/oder Leiters unterhalb der Schmelztemperatur des Materials des Grundkörpers bzw. Leiters. Die Verschmelztemperatur der angegebenen
Glaszusammensetzungen liegt im Bereich von 350° C bis 650° C. Die
Verschmelztemperatur kann beispielsweise über die Halbkugeltemperatur wie in R. Görke, K.-J. Leers: Keram. Z. 48 (1996) 300-305, bzw. nach DIN 51730, ISO 540 oder CEN/TS 15404 und 15370-1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird, bestimmt werden. Die Messung der Halbkugeltemperatur ist ausführlich in der DE 10 2009 01 1 182 A1 , deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird, beschrieben. Gemäß der DE 10 2009 011 182 A1 kann die Halbkugeltemperatur in einem mikroskopischen Verfahren mit einem
Heiztischmikroskop bestimmt werden. Sie kennzeichnet diejenige Temperatur, bei der ein ursprünglich zylindrischer Probekörper zu einer halbkugelförmigen Masse zusammengeschmolzen ist. Der Halbkugeltemperatur lässt sich eine Viskosität von ungefähr log r\ = 4,6 dPas zuordnen, wie entsprechender Fachliteratur entnommen werden kann. Wird ein kristallisationsfreies Glas beispielsweise in Form eines Glaspulvers aufgeschmolzen und wieder abgekühlt, so dass es erstarrt, kann es üblicherweise bei der gleichen Schmelztemperatur auch wieder aufgeschmolzen werden. Dies bedeutet für eine Fügeverbindung mit einem kristallisationsfreien Glas, dass die Betriebstemperatur, welcher die
Fügeverbindung dauerhaft ausgesetzt sein kann, nicht höher als die
Verschmelztemperatur sein darf. Glaszusammensetzungen wie sie vorliegend eingesetzt werden, werden im Allgemeinen oftmals aus einem Glaspulver hergestellt, das aufgeschmolzen wird und unter Wärmeeinwirkung mit den zu verbindenden Bauteilen die Fügeverbindung ergibt. Die Verschmelztemperatur bzw. Schmelztemperatur entspricht in der Regel etwa der Höhe der so genannten Halbkugeltemperatur des Glases. Gläser mit niedrigen Verschmelztemperaturen bzw. Schmelztemperatur werden auch als Glaslote bezeichnet. Anstelle von Verschmelz- oder Schmelztemperatur wird in einem solchen Fall von
Lottemperatur bzw. Löttemperatur geredet. Die Verschmelztemperatur bzw.
Lottemperatur kann um ±20 K von der Halbkugeltemperatur abweichen. Das Einglasen des Leiters in die Öffnung kann dann wie folgt durchgeführt werden:
Zunächst wird das Glasmaterial zusammen mit dem stiftförmigen Leiter in die Öffnung im Grundkörper eingebracht. Sodann wird das Glas zusammen mit dem Leiter, insbesondere dem stiftförmigen Leiter auf die Verschmelztemperatur bzw. Halbkugeltemperatur des Glases erwärmt, so dass das Glasmaterial erweicht und in der Öffnung den Leiter, insbesondere den stiftförmigen Leiter umschließt und am Grundkörper anliegt. Da die Schmelztemperatur sowohl des Materials des Grundkörpers als auch des Leiters, insbesondere des stiftförmigen Leiters oberhalb der Verschmelztemperatur des Glasmaterials liegt, liegt der Grundkörper wie auch der stiftförmige Leiter im festen Zustand vor. Bevorzugt liegt die
Verschmelztemperatur des Glasmaterials 20 bis 150 K unterhalb der
Schmelztemperatur des Materials des Grundkörpers bzw. stiftförmigen Leiters. Wird beispielsweise Aluminium als Leichtmetall mit einem Schmelzpunkt von TSCHMELZ = 660,32° C verwendet, so liegt die Verschmelztemperatur bzw.
Lottemperatur des Glasmaterials im Bereich 350° C bis 640° C, bevorzugt im Bereich 350° C bis 600° C besonders bevorzugt im Bereich 350°C bis < 550°C, insbesondere im Bereich 450°C bis < 550°C. Alternativ zu einem Leichtmetall wie z. B. Aluminium oder eine Aluminiumlegierung könnte als Material für den
Grundkörper auch eine SiC Matrix eingesetzt werden, die mit AI infiltriert ist. Ein derartiges Material wird auch als AlSiC bezeichnet. AlSiC weist einen SiC-Kern auf, in den AI eindiffundiert ist. Durch den Anteil des AI können die Eigenschaften, insbesondere der Ausdehnungskoeffizient, eingestellt werden. Insbesondere hat AlSiC eine niedrigere Wärmeausdehnung als reines Aluminium.
Andere Materialien, die Verwendung für den Grundkörper und/oder das
Batteriegehäuse finden können, sind beispielsweise, Magnesium oder
Magnesiumlegierungen. Für den Grundkörper sind auch Titan oder
Titanlegierungen möglich. Auch Metalle, insbesondere Stahl, nicht rostender Stahl, Edelstahl oder Werkzeugstahl wären mögliche Materialien. Das Material des Leiters, insbesondere des stiftförmigen Leiters kann identisch zum Material des Grundkörpers sein, also beispielsweise Aluminium, AlSiC, eine Aluminiumlegierung, Magnesium oder eine Magnesiumlegierung. Dies hat den Vorteil, dass der Ausdehnungskoeffizient von Grundkörper und Metallstift identisch ist. Der Ausdehnungskoeffizient α des Glas- oder Glaskeramikmaterials muss dann nur an ein Material angepasst werden. Des Weiteren kann der Außenleiter die Materialien Edelstahl oder Stahl umfassen. Um für einen derartigen Fall eine Druckglasdurchführung zur Verfügung zu stellen wird acias unterschiedlich zu ciGrundkör er beziehungsweise aMetaiistift gewählt.
Alternativ hierzu kann der stiftförmige Leiter Cu, eine Kupferlegierung, CuSiC oder eine NiFe-Legierung, Silber, eine Silberlegierung, Gold, eine Goldlegierung, eine Kupferseele, d. h. einen NiFe-Mantel mit Kupferinnenteil sowie eine Kobalt-Eisen- Legierung als Material umfassen.
Als Aluminium bzw. Aluminiumlegierung für den Leiter finden bevorzugt
Verwendung:
EN AW-1050 A
EN AW-1350
EN AW-2014
EN AW-3003
EN AW-4032
EN AW-5019
EN AW-5056
EN AW-5083
EN AW-5556A
EN AW-6060
EN AW-6061. Als Kupfer bzw. Kupferlegierungen für den Leiter finden bevorzugt Verwendung:
Cu-PHC 2.0070
Cu-OF 2.0070 Cu-ETP 2.0065
Cu-HCP 2.0070
Cu-DHP 2.0090 Im Fall, dass der Grundkörper und der Metallstift unterschiedliche Materialien aufweist, gilt beispielsweise aGrundkörPer ^ aGias ^ aivtetaiistift · Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien ermöglichen dann eine
Druckeinglasung, bei der eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Glasmaterial und umgebenden Materialien zur Verfügung gestellt wird.
Die erfindungsgemäße Batteriedurchführung zeichnet sich nicht nur dadurch aus, dass eine Einglasung, insbesondere eine Druckeinglasung, in einen niedrig schmelzenden Grundkörper möglich ist, sondern auch dadurch, dass eine ausreichende Beständigkeit gegenüber dem Batterieelektrolyten gegeben ist.
Insbesondere ist durch die Erfindung eine ausreichende chemische Stabilität gegenüber nicht wässrigen, in der Regel aggressiven Batterie-Elektrolyten, gegeben. Nicht wässrige Batterie-Elektrolyten bestehen typischerweise aus einem Carbonat, insbesondere aus einer Carbonatmischung, wie beispielsweise eine Mischung aus Ethylencarbonat oder Dimethylcarbonat, wobei die aggressiven, nicht wässrigen Batterie-Elektrolyten ein Leitsalz aufweisen, beispielsweise das Leitsalz LiPF6, z. B. in Form einer 1 molaren Lösung. Überraschenderweise weisen die angegebenen Glaszusammensetzungen neben einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von α (20°C - 300°C) > 14· 10" 6/K, insbesondere bevorzugt zwischen 15 0"6/Κ und 25 ·10"6/Κ, der niedrigen Verschmelz- bzw. Halbkugeltemperatur auch eine ausreichende Beständigkeit gegenüber den zuvor genannten festen Batterie-Elektrolyten auf.
Die Glaszusammensetzungen für die Batteriedurchführung weisen bevorzugt Li auf, das in die Glasstruktur eingebaut ist. Da Li in dem Elektrolyten, wie er für Li- lonen-Speichereinrichtungen verwandt wird, ebenfalls enthalten ist, wird durch diese Maßnahme die Batterieleistung nicht beeinträchtigt. Besonders bevorzugt sind natriumarme bzw. natriumfreie
Glaszusammensetzungen, da die Diffusion der Alkali-Ionen in der Reihenfolge Na+>K+>Cs+ erfolgt und daher natriumarme bzw. natriumfreie Gläser besonders beständig gegenüber Elektrolyten, insbesondere solchen, wie sie in Li-Ionen- Speichereinrichtungen verwandt werden, sind.
Die Beständigkeit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung gegenüber den Batterie-Elektrolyten kann dadurch geprüft werden, dass die
Glaszusammensetzung in Form eines Glaspulvers mit einer Körnung d50 = 0 pm gemahlen wird und in den Elektrolyten für eine vorbestimmte Zeit, beispielsweise eine Woche, ausgelagert wird. d50 bedeutet, dass 50 % aller Partikel oder Körner des Glaspulvers kleiner oder gleich einem Durchmesser von 10 pm ist. Als nicht wässriger Elektrolyt wird beispielsweise eine Carbonatmischung aus
Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat im Verhältnis 1 :1 mit einem molaren LiPF6 als Leitsalz verwandt. Nachdem das Glaspulver dem Elektrolyten ausgesetzt war, kann das Glaspulver abfiltriert und der Elektrolyt auf Glasbestandteile, die aus dem Glas ausgelaugt wurden, untersucht werden. Hierbei hat sich herausgestellt, dass bei den verwandten Gläsern gemäß der Erfindung in den beanspruchten Zusammensetzungsbereichen überraschenderweise eine derartige Auslaugung in nur geringem Maß von weniger als 20 Massenprozent vorliegt, in besonderen Fällen auch eine Auslaugung < 5 Massenprozent erreicht wird bei einer
thermischen Ausdehnung α im Temperaturbereich von 20° C bis 300°C >
14·106/Κ, insbesondere zwischen 15 · 10"6/K und 25 · 10"6/K. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung, die bei einer
Batteriedurchführung mit einem oder mehreren Stiften, insbesondere aus
Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Verwendung findet, ist darin zu sehen, dass ein Verschmelzen des Glases mit dem umgebenden Leichtmetall bzw. dem Metall des Leiters, insbesondere in Form eines Metallstiftes, auch unter einer Gasatmosphäre, die keine Schutzgasatmosphäre ist, möglich ist. Auch ein
Vakuum ist für AI-Verschmelzungen entgegen dem bisherigen Verfahren nicht notwendig. Vielmehr kann eine derartige Verschmelzung auch unter Luft erfolgen Für beide Arten der Verschmelzungen kann als Schutzgas N2 oder Ar benutzt werden. Als Vorbehandlung zum Verschmelzen wird das Metall gereinigt und oder geätzt, wenn nötig gezielt oxidiert oder beschichtet. Während des Prozesses werden Temperaturen zwischen 300 und 600 °C mit Heizraten von 0.1 bis 30 K/min und mit Haltezeiten von 1 bis 60 min verwandt. Die angegebenen Glaszusammensetzungen zeigen überraschenderweise gleichzeitig eine hohe chemische Stabilität gegenüber dem bevorzugt nicht wässrigen Elektrolyten sowie einen hohen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten. Dies ist insbesondere deswegen überraschend, da angenommen wird, dass, je höher der thermische Ausdehnungskoeffizient ist, umso instabiler das Glas wird. Es ist daher überraschend, dass trotz des hohen Ausdehnungskoeffizienten und der niedrigen Verschmelztemperatur die
angegebenen Glaszusammensetzungen eine ausreichende Stabilität aufweisen.
Auch für Na2O-Gehalte von bis zu 29 mol-%, insbesondere bis zu 20 mol-% werden sehr beständige Gläser erhalten.
Die angegebene erfindungsgemäße Glaszusammensetzung kann zur
Dehnungsanpassung, d.h. zur Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten, noch mit Füllstoffen versehen sein.
Um die Glaszusammensetzung einer IR-Erwärmung zugänglich zu machen, können die vorgenannten Gläser mit Dotierstoffen versehen werden, die ein Emissionsmaximum im Bereich von Infrarot-Strahlung, insbesondere IR-Strahlung einer IR-Quelle aufweisen. Beispielhafte Materialien hierfür sind Fe, Cr, Mn, Co, V, Pigmente. Durch die Infrarot-Strahlung kann das so aufbereitete Glasmaterial örtlich gezielt erwärmt werden.
Mit der Erfindung wird eine Batteriedurchführung zur Verfügung gestellt, die sich gegenüber den Durchführungen im Stand der Technik, insbesondere denjenigen mit Kunststoff als Dichtmaterial durch eine hohe Temperaturbeständigkeit, insbesondere Temperaturwechselbeständigkeit auszeichnet. Des Weiteren wird eine hermetische Dichtheit auch bei Temperaturänderung beziehungsweise bei Wechseln der Temperatur zur Verfügung gestellt, die verhindert, dass Flüssigkeit insbesondere Batterieflüssigkeit austreten kann und/oder Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringt. Unter hermetischer Dichtheit wird verstanden, dass bei einem Druckunterschied von 1 bar die Helium-Leckrate <1 -10"8 mbar ls'\ bevorzugt <1 ·10"9 mbar ls"1 liegt.
Des Weiteren weist die Batteriedurchführung eine ausreichende chemische Beständigkeit, insbesondere gegenüber nicht-wässrigen Batterie-Elektrolyten, auf.
Eine Vorbehandlungsmaßnahme, der die Batteriedurchführung unterzogen werden kann, ist das Beizen.
Neben der Durchführung stellt die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt auch eine elektrische Speichereinrichtung, insbesondere eine Batterie, bevorzugt eine Batteriezelle zur Verfügung, die eine erfindungsgemäße Durchführung aufweist. Das Gehäuse besteht bevorzugt aus dem gleichen Material wie der Grundkörper, insbesondere einem Leichtmetall. Der Grundkörper ist bei Batteriezellen bevorzugt Teil des Batteriegehäuses. Bevorzugt handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen-Batterie. Materialien für das Gehäuse beziehungsweise den Grundkörper sind bevorzugt ebenfalls Metalle, wie Stahl, rostfreier Stahl, Edelstahl, bevorzugt Leichtmetalle, insbesondere Titan, Titanlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen,
Magnesium oder Magnesiumlegierungen ohne hierauf beschränkt zu sein. In vorliegender Anmeldung werden unter Leichtmetallen Metalle verstanden, die ein spezifisches Gewicht geringer als 5,0 kg/dm3 aufweisen. Insbesondere liegt das spezifische Gewicht der Leichtmetalle im Bereich 1 ,0 kg/dm3 bis 3,0 kg/dm3.
Werden die Leichtmetalle zudem als Materialien für die Leiter, beispielsweise den stiftförmigen Leiter oder das Elektrodenverbindungsbauteil verwandt, so zeichnen sich die Leichtmetalle des Weiteren noch durch eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich 5■ 106 Sm" bis 50■ 106 Sm'1 aus. Bei Einsatz in Druckglasdurchführungen liegt zudem noch der
Ausdehnungskoeffizient α des Leichtmetalles für den Bereich 20° C bis 300° C im Bereich 18 -10"6/K bis 30■ 10"6/K
Im Allgemeinen haben Leichtmetalle Schmelztemperaturen im Bereich 350° C bis 800° C.
Die Batterie weist bevorzugt einen nicht-wässrigen Elektrolyten, insbesondere auf Carbonatbasis, bevorzugt eine Carbonatmischung, auf. Die Carbonatmischung kann ein Ethylencarbonat in Mischung mit Dimethylcarbonat mit einem Leitsalz, beispielsweise LiPF6, umfassen.
Des Weiteren stellt die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt ein Glasmaterial umfassend die nachfolgenden Komponenten in mol-%:
P205 35-50 mol-%, insbesondere 39-48 mol-%
AI2O3 0-14 mol-%, insbesondere 2-12 mol-%
B203 2-10 mol-%, insbesondere 4-8 mol-%
Na20 0-30 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%
M20 0-20 mol-%, insbesondere 12-20 mol-%, wobei M=K, Cs, Rb
sein kann
PbO 0-10 mol-%., insbesondere 0-9 mol-%
Li20 0-45 mol-%, insbesondere 0-40 mol-%, ganz bevorzugt 17-40 mol-%
BaO 0-20 mol-%, insbesondere 5-20 mol-%, ganz bevorzugt 5-20 mol-%
Bi203 0- 0 mol-%, insbesondere 1-5 mol-%, ganz bevorzugt 2-5 mol-% zur Durchführung eines metallischen Leiters in das Gehäuse einer
Speichereinrichtung zur Verfügung.
Besonders bevorzugt ist ein Glasmaterial, umfassend die nachfolgenden
Komponenten in mol-%:
38-50 mol-%, insbesondere 39-48 mol-% AI2O3 3- 14 mol-%, insbesondere 4-12 mol-%
B2O3 4- 10 mol-%, insbesondere 5-8 mol-%
Na2O 10-30 mol-%, insbesondere 14-20 mol-%
K2O 10-20 mol-%, insbesondere 12-19 mol-%
PbO 0-10 mol-%, insbesondere 0-9 mol-% für eine Durchführung eines metallischen Leiters in das Gehäuse einer
Speichereinrichtung, bevorzugt einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen- Batterie. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der metallische Leiter der Speichereinrichtung ein Leichtmetall, das insbesondere Aluminium, eine
Aluminiumlegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung umfassen kann. Der Grundkörper sowie das Gehäuse kann ebenfalls aus Leichtmetall ausgebildet sein, beispielsweise aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figur und der Ausführungsbeispiele ohne Beschränkung hierauf beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Durchführung;
In Fig. 1 ist eine Durchführung 1 gemäß der Erfindung gezeigt. Die Durchführung 1 umfasst als Leiter, insbesondere als stiftförmigen Leiter einen Metallstift 3, der bevorzugt aus einem Material, beispielsweise Aluminium einer
Aluminiumlegierung, einer Kupferlegierung oder Kupfer, besteht sowie als Grundkörper 5 ein Metallteil , das erfindungsgemäß aus einem niedrig
schmelzenden Metall, d.h. einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Magnesium, einer Magnesiumlegierung, Titan oder einer Titanlegierung besteht. Der Metallstift 3 wird durch eine Öffnung 7, die durch das Metallteil 5 hindurchgeht, hindurchgeführt. Obwohl nur das Hindurchführen eines einzelnen Metallstiftes durch die Öffnung gezeigt ist, könnten auch mehrere Metallstifte durch die Öffnung hindurchgeführt werden, ohne dass von der Erfindung abgewichen wird. Die Außenkontur der Öffnung 7 kann bevorzugt rund oder aber auch oval ausgebildet sein. Die Öffnung 7 geht durch die ganze Dicke D des Grundkörpers bzw. Metallteils 5 hindurch. Der Metallstift 1 ist in ein Glasmaterial 10 eingeglast und wird im Glasmaterial 10 durch die Öffnung 7 durch den Grundkörper 5 hindurchgeführt. In den Grundkörper 5 wird die Öffnung 7 durch beispielsweise einen Trennvorgang, bevorzugt Stanzen, eingebracht. Um eine hermetische Durchführung des Metallstiftes 3 durch die Öffnung 7 bereitzustellen, wird der Metallstift 3 in einem Glaspfropfen aus dem erfindungsgemäßen Glasmaterial eingeschmolzen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Herstellungsweise besteht darin, dass auch unter erhöhten Belastungen auf den Glaspfropfen, z. B. bei einer Druckbelastung, ein Herausdrücken des Glaspfropfens mit Metallstift aus der Öffnung 7 vermieden wird. Die Verschmelztemperatur des erfindungsgemäßen Glasmaterials mit dem Grundkörper liegt 20 K bis 100 K unterhalb der
Schmelztemperatur des Materials des Grundkörpers 5 und/oder des Leiters, insbesondere des stiftförmigen Leiters.
Nachfolgend werden acht Ausführungsbeispiele in Tabelle 1 für
erfindungsgemäße Glaszusammensetzungen angegeben, die in Tabelle 2
Vergleichsgläsern (VB1 - VB9) gegenübergestellt werden.
Tabelle 1 :
Ausführunqsbeispiele:
AB1 AB2 AB3 AB4 AB5 AB6 AB7 AB8
Mol-%
P205 47.6 43.3 43.3 43.3 37.1 40.0 42,0 46,5
B203 7.6 4.8 4.7 4.8 4.9 6.0 6,0 7,6
AI2O3 4.2 8.6 8.7 2.0 2 12.0 12,0 4,2
Na2O 28.3 17.3 15.0 16.0 28,3 κ2ο 12.4 17.3 17.3 18.0 19.0 12,4
PbO 9.0 BaO 8.7 8.7 15.4 14
Li2O 17,3 34,6 42,1
Bi203 5 1
Halbkugel 513 554 564 540 625 553 502
Tempe- ratur(°C)
a(20-300° C) 19 16,5 14,9 13,7 14,8 16.7 16,0 19,8 (ΙΟ^/Κ)
Tg (°C) 325 375 354 369 359 392 425 347
Dichte 2,56 3 3,02 2,63
[g/cm3]
Auslaugung 18,7 14,11 7,66 12,63 1 ,47 3,7 29,01 8,43 In Ma-%
Gewichts10,7 0,37 0,1 0,13 0,13 n.B. 0,006/0,001 0.45/0,66 verl ust(%)
nach 70h
in 70°C- Wasser
Neben den Auslaugungen wurden auch die Wasserbeständigkeiten der einzelnen Gläser bestimmt.
Die Wasserbeständigkeitstests sind so erfolgt, dass Niederschmelzungen von den Gläsern gemacht wurden (2x2 cm, Höhe: -0.5 cm), die in 200 ml Wasser bei 25° C und 70° C 70 Stunden eingelagert wurden. Danach wurde der Materialverlust in Gew.% bestimmt. Und in der Tabelle angegeben.
Ausführungsbeispiel 1 (AB1 ) in Tabelle 1 ist insbesondere für
Aluminium/Aluminium-Einglasungen geeignet, d.h. Einglasungen eines
Aluminiumstiftes als Leiter in einen umgebenden Aluminium-Grundkörper. Ausführungsbeispiel 6 in Tabelle 1 ist insbesondere für Cu/Al-Einglasungen geeignet, d.h. Einglasung eines Kupferstiftes als Leiter in einen umgebenden Aluminium-Grundkörper. Obwohl einige der Ausführungsbeispiele einen für die Fügung mit Cu tendenziell zu niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wird deutlich, dass hohe Li- Anteile in der Schmelze gelöst werden können, ohne dass das Glas mit einer derartigen Glaszusammensetzung instabil wird. Die Ausführungsbeispiele 7 und 8 (AB7 und AB8) zeichnen sich dadurch aus, dass sie Bi2O3 z. B. anstelle von PbO, wie in Ausführungsbeispiel 6 (AB6), enthalten.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch B12O3 die Wasserbeständigkeit deutlich erhöht werden kann. Durch die Einführung von 1 mol-% B12O3 konnte beispielsweise eine 10-fach höhere Wasserbeständigkeit beim
Ausführungsbeispiel 8 (AB8) gegenüber Ausführungsbeispiel 1 (AB1 ) erzielt werden, bei im wesentlichen gleichem Alkaligehalt. Für den Fachmann ist dies überraschend.
Bi2O3 kann insbesondere auch anstelle von PbO gemäß Ausführungsbeispiel 6 (AB6) verwandt werden. Da Blei umweltschädlich ist, ist sind
Glaszusammensetzungen besonders bevorzugt, die bis auf Verunreinigungen frei von PbO sind, d.h. bei denen PbO zu 0 mol-% gesetzt werden kann. Frei bis auf Verunreinigungen heißt in dieser Anmeldung, dass weniger als 100 ppm, bevorzugt weniger als 10 ppm, insbesondere weniger als 1 ppm des jeweiligen Stoffes, beispielsweise Blei in dem Glas enthalten sind.
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind herkömmliche Glaszusammensetzungen (VB1-VB9) angegeben, die im Vergleich zu den zuvor genannten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen AB1 und AB8 untersucht wurden. In Tabellen 1 und 2 ist die Zusammensetzung in mol-% angegeben, die
Transformationstemperatur Tg, wie Sie beispielsweise in„Schott Guide to Glass, second edition, 1996, Chapman&Hall, Seiten 18-21 definiert ist, die
Gesamtauslaugung in Massenprozent (Ma -%) angegeben, der
Ausdehnungskoeffizient α in 10"6K"1 im Bereich 20°C - 300°C sowie die Dichte in g/cm3 Die Gesamtauslaugung wird wie im einleitenden Teil beschrieben bestimmt, d. h. die Glaszusammensetzungen wurden zu Glaspulver mit einer Körnung d50 = 10pm gemahlen, für eine Woche dem Elektrolyten bestehend aus
Ethylencarbonat/Dimethylcarbonat im Verhältnis 1 :1 mit darin gelöstem 1 molaren LiPF6 als Leitsalz ausgesetzt und nach dieser Zeit der Elektrolyt bestehend aus Ethylcarbonat/Dimethylcarbonat im Verhältnis 1 :1 mit darin gelösten 1 molaren LiPF6 als Leitsalz auf Glasbestandteile, die aus dem Glas ausgelaugt wurden, untersucht. In Tabelle 1 bezeichnet n. b. nicht bekannte Eigenschaften.
Tabelle 2: Vergleichsbeispiele
Die in Tabelle 2 angegebenen Vergleichsbeispiele VB1 , VB2 und VB6 zeigen eine zu hohe Transformationstemperaturen Tg und zu niedrige thermische
Ausdehnungskoeffizienten α gegenüber den Zusammensetzungen gemäß
Ausführungsbeispielen AB1 - AB8.. Vergleichsbeispiel VB3 hat zwar einen genügend niedrigen Tg, einen besseren - aber nicht ausreichenden
Ausdehnungskoeffizient α im Bereich 20° C bis 300° C - aber eine hohe
Instabilität gegenüber dem Batterielektrolyten. Vergleichsbeispiel VB4 besitzt einen günstigen Tg, aber die Beständigkeit und der Ausdehnungskoeffizient α sind nicht ausreichend. Vergleichsbeispiel VB5 hat eine hervorragende Beständigkeit, der Tg ist zufriedenstellend, aber der Ausdehnungskoeffizient α ist nicht ausreichend.
Überraschender weise zeigen die Ausführungsbeispiele AB1 bis AB8 gemäß Tabelle 1 eine erfindungsgemäß hohen Ausdehnungskoeffizienten a, niedriges Tg und eine hohe chemische Beständigkeit im erfindungsgemäßen
Zusammensetzungsbereich gemäß Anspruch 1. Die erfindungsgemäßen
Glaszusammensetzungen stellen somit Verschmelzgläser beziehungsweise Schmelzgläser beziehungsweise Lotgläser für Batteriedurchführungen zur
Verfügung, mit einer geringen Prozesstemperatur, einer Verschmelztemperatur, die geringer als der Schmelzpunkt von Leichtmetall, insbesondere Aluminium ist, einem hohen Ausdehnungskoeffizient α und einer hervorragenden Beständigkeit gegenüber Batterielektrolyten. Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine Durchführung für ein Gehäuse, insbesondere ein Batteriezellengehäuse, bevorzugt für eine Lithium-Ionen- Batterie, angegeben, die dafür geeignet ist, in Gehäuseteile von
Batteriezellengehäusen, bestehend aus einem Leichtmetall, insbesondere
Aluminium (AI), eine Aluminiumlegierung, Magnesium, eine Magnesiumlegierung, Titan oder einer Titanlegierung eingesetzt zu werden. Es sind aber als Materialien für das Batteriezellengehäuse auch Stahl oder Edelstahl, insbesondere Nirosta- Edelstahl möglich. In einem solchen Fall werden die Materialien des stiftförmigen Leiters mit Kopfteil und gegebenenfalls der Grundkörpers entsprechend
ausgewählt und angepasst.
Mit dem Durchführungsbauteil gemäß der Erfindung kann ein Batteriegehäuse zur Verfügung gestellt werden, das hermetisch dicht ist auch bei einer Verformung des Batteriegehäuses im Gegensatz zu Kunststoffdurchführungen, die zur Rissbildung neigen. Hierdurch wird bei Batterien mit Batteriegehäusen, die eine
erfindungsgemäße Durchführung aufweisen, insbesondere eine hohe
Feuerbeständigkeit bei Fahrzeugunfällen zur Verfügung gestellt. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz von Batterien, bevorzugt Li-Ionen-Batterien im Automobilbereich von Bedeutung.

Claims

Patentansprüche
1. Durchführung, insbesondere Batteriedurchführung, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugt einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit wenigstens einem Grundkörper, der wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die wenigstens ein Leiter, insbesondere ein im Wesentlichen stiftförmiger Leiter in einem Glasmaterial hindurchgeführt wird, wobei der Grundkörper, bevorzugt ein niedrig schmelzendes Material, insbesondere ein Leichtmetall, bevorzugt Aluminium, Magnesium, AlSiC, eine
Aluminiumlegierung oder eine Magnesiumlegierung, Titan, eine
Titanlegierung oder Stahl, insbesondere Edelstahl, nicht rostender Stahl oder Werkzeugstahl, umfasst und das Glasmaterial die nachfolgenden Komponenten in mol-% umfasst:
P2O5 35-50 mol-%, insbesondere 39-48 mol-%
AI2O3 0-14 mol-%, insbesondere 2-12 mol-%
B203 2-10 mol-%, insbesondere 4-8 mol-%
Na2O 0-30 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%
M2O 0-20 mol-%, insbesondere 12-20 mol-%, wobei M=K, Cs, Rb sein kann
PbO 0-10 mol-%., insbesondere 0-9 mol-%
Li2O 0-45 mol-%, insbesondere 0-40 mol-%,
ganz bevorzugt 17-40 mol-%
BaO 0-20 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%,
ganz bevorzugt 5-20 mol-%
Bi203 0-10 mol-%, insbesondere 1-5 mol-%,
ganz bevorzugt 2-5 mol-% Durchführung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Glaszusammensetzung die nachfolgenden Komponenten
umfasst.
P2O5 38-50 mol.-%, insbesondere 39-48 mol-%
Al203 3-14 mol.-%, insbesondere 4-12 mol-%
B2O3 4-10 mol.-%, insbesondere 4-8 mol-%
Na20 10-30 mol.-%, insbesondere 14-20 mol-%
K20 10-20 mol.-%, insbesondere 12-19 mol-%
PbO 0-10 mol.-%, insbesondere 0-9 mol-%
3. Durchführung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Leiter, insbesondere im Wesentlichen stiftförmige Leiter insbesondere ein Metall, bevorzugt Kupfer, CuSiC, Aluminium, AlSiC, Magnesium, Silber, Gold, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen, Kupferlegierungen, Silberlegierungen, Goldlegierungen, NiFe-Legierungen umfasst.
4. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Glasmaterial einen Ausdehnungskoeffizienten α im Bereich 20° C bis 300°C > 14-10"6/K, bevorzugt im Bereich 15 -10'6/K bis 25 -10"6/K aufweist.
5. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Glasmaterial Zusatzstoffe, die im Bereich eines Emissionsmaxiums von Infrarotstrahlung liegen, insbesondere Fe, Cr, Co, V umfasst.
6. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Glasmaterial unter Normalatmosphäre mit dem Grundkörper und/oder dem Leiter verschmelzbar ist, insbesondere ein AI-Grundkörper mit einem Leiter aus AI verlötbar ist.
7. Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Glasmaterial eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber nicht wässrigen Batterieelektrolyten, insbesondere gegenüber Carbonaten, bevorzugt Carbonatmischungen mit einem Leitsalz, bevorzugt umfassend LiPFö aufweist.
8. Speichereinrichtung, insbesondere Batterie, bevorzugt Lithium-Ionen- Batterie, bevorzugt Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Speichereinrichtung gemäß Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speichereinrichtung, insbesondere Batterie, einen nicht wässrigen Elektrolyten, insbesondere ein Carbonat, bevorzugt eine
Carbonatmischung, die insbesondere bevorzugt Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat umfasst, mit einem Leitsalz, insbesondere in Form von LiPF6 umfasst.
10. Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung ein Gehäuse, insbesondere ein Batteriegehäuse umfasst, das die Durchführung aufnimmt.
11. Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper ein Metall, Edelstahl, Stahl, nichtrostenden Stahl, ein Leichtmetall, insbesondere Aluminium, AlSiC, eine Aluminiumlegierung, Magnesium, eine Magnesiumlegierung, Titan oder eine Titanlegierung umfasst.
12. Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse ein Metall, Edelstahl, Stahl, nichtrostenden Stahl, ein Leichtmetall insbesondere Aluminium, AlSiC, eine Aluminiumlegierung, Magnesium, eine Magnesiumlegierung, Titan oder eine Titanlegierung umfasst.
13. Verwendung einer Glaszusammensetzung, umfassend die nachfolgenden Komponenten in mol-%:
P2O5 35-50 mol-%, insbesondere 39-48 mol-%
Al203 0-14 mol-%, insbesondere 2-12 mol-%
B2O3 2-10 mol-%, insbesondere 4-8 mol-%
Na2O 0-30 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%
M20 0-20 mol-%, insbesondere 12-20 mol-%, wobei M=K, Cs, Rb sein kann
PbO 0-10 mol-%., insbesondere 0-9 mol-%
Li2O 0-45 mol-%, insbesondere 0-40 mol-%, ganz bevorzugt 17-40 mol-% BaO 0-20 mol-%, insbesondere 0-20 mol-%, ganz bevorzugt 5-20 mol-% Bi2O3 0-10 mol-%, insbesondere 1-5 mol-%, ganz bevorzugt 2-5 mol-% zur Durchführung eines Leiters in das Gehäuse einer Batterie,
insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, bevorzugt eines Lithium-Ionen- Akkumulators, wobei die Batterie einen nicht wässrigen Elektrolyten, bevorzugt ein Carbonat, insbesondere einer Carbonatmischung mit einem Leitsalz, bevorzugt LiPF6, umfasst. 14 Verwendung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Glaszusammensetzung umfasst:
P205 38-50 mol-%, insbesondere 39-48 mol-%
AI2O3 3-14 mol-%, insbesondere 4-12 mol-%
B2O3 4-10 mol-%, insbesondere 5-8 mol-%
Na20 10-30 mol-%, insbesondere 14-20 mol-%
K20 10-20 mol-%, insbesondere 12-19 mol-%
PbO 0-10 mol-%, insbesondere 0-9 mol-%
15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Leiter, insbesondere ein Metall, bevorzugt Aluminium, AlSiC, Kupfer.CuSiC, Magnesium, Silber, Gold, eine Aluminiumlegierung, eine Magnesiumlegierung, eine Kupferlegierung, eine Silberlegierung, eine Goldlegierung oder NiFe-Legierungen umfasst.
16. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper ein Leichtmetall, Edelstahl, Stahl, nichtrostenden Stahl, insbesondere Aluminium, AlSiC, eine Aluminiumlegierung, Magnesium, eine Magnesiumlegierung, Titan oder eine Titanlegierung umfasst.
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